HXD1型電力機(jī)車牽引變流器風(fēng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試分析*

丁 杰

（1.湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南常德 415000；2.湖南文理學(xué)院國(guó)際學(xué)院，湖南常德 415000）

0 引言

大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車是實(shí)現(xiàn)重載貨運(yùn)的關(guān)鍵。由于地形復(fù)雜、氣候多樣、部分線路老化等影響，長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的電力機(jī)車產(chǎn)生的振動(dòng)問(wèn)題，嚴(yán)重影響到電力機(jī)車的安全可靠運(yùn)行，引起了人們的關(guān)注[1-2]。

David T[3]系統(tǒng)性分析了鐵路振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理與仿真建模。TAO G 等[4]針對(duì)鐵路車輛車輪多邊形問(wèn)題開(kāi)展了文獻(xiàn)綜述。楊云帆等[5]針對(duì)某型號(hào)電力機(jī)車車輪非圓化磨耗進(jìn)行測(cè)試，分析得出車輪高階非圓化磨耗是輪對(duì)異常振動(dòng)報(bào)警的主要原因。陶功權(quán)等[6]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外鐵道車輛運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的車輪非圓化磨耗現(xiàn)象、形成機(jī)理及控制措施。王自超等[6]通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真分析齒輪嚙合剛度與軌道不平順激勵(lì)作用下的機(jī)車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。雷成等[7]針對(duì)機(jī)車車體低頻橫向晃動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。楊柳等[8]利用有限元方法分析機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)的影響因素。張衛(wèi)華等[10]分析了鐵路機(jī)車車輛的狀態(tài)評(píng)估與分類標(biāo)準(zhǔn)。丁杰等[11]通過(guò)測(cè)試電力機(jī)車在實(shí)際線路運(yùn)行的振動(dòng)數(shù)據(jù)，與IEC 61373 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析得出我國(guó)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)的振動(dòng)量級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。王永勝等[12]通過(guò)添乘測(cè)試獲得某機(jī)車牽引變流器的振動(dòng)特性，結(jié)合有限元分析提出針對(duì)性的減振方案。路景陽(yáng)[13]針對(duì)HXD1 型機(jī)車主變流器模塊驅(qū)動(dòng)板接線故障頻繁發(fā)生的問(wèn)題，開(kāi)展振動(dòng)測(cè)試與分析，提出了鏇輪消除車輪多邊形和加固驅(qū)動(dòng)板接線插頭等措施。

本文針對(duì)HXD1 型電力牽引變流器的斬波器風(fēng)機(jī)振動(dòng)過(guò)大、異音和軸承掉粉等問(wèn)題，開(kāi)展線路運(yùn)行條件下的振動(dòng)測(cè)試，從時(shí)域和頻域等角度分析風(fēng)機(jī)振動(dòng)特性，為解決風(fēng)機(jī)應(yīng)用問(wèn)題提供指導(dǎo)。

1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息可知，在新豐鎮(zhèn)運(yùn)行的HXD1 1060 號(hào)電力機(jī)車牽引變流器內(nèi)部的斬波器風(fēng)機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大、異音和軸承掉粉等問(wèn)題，為此開(kāi)展了電力機(jī)車線路運(yùn)行的振動(dòng)測(cè)試。

圖1 所示為牽引變流器的幾何結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明。牽引變流器位于電力機(jī)車的中間部位，柜體底部通過(guò)T 型螺桿與車體地板梁固定。牽引變流器主要由柜體、功率模塊、傳動(dòng)控制箱、斬波器、換熱器、接觸器和風(fēng)機(jī)等組成，斬波器和換熱器的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式相同。采用B&K 公司振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)分析頻率為3 200 Hz。三向加速度傳感器分別布置在靠近司機(jī)室的斬波器風(fēng)機(jī)軸承端（1#測(cè)點(diǎn)）和安裝座（3#測(cè)點(diǎn)）、遠(yuǎn)離司機(jī)室的斬波器風(fēng)機(jī)軸承端（2#測(cè)點(diǎn)）和安裝座（4#測(cè)點(diǎn)）、換熱器風(fēng)機(jī)軸承端（5#測(cè)點(diǎn)）和安裝座（6#測(cè)點(diǎn)）、傳動(dòng)控制箱（7#測(cè)點(diǎn)）和牽引變流器柜腳（8#測(cè)點(diǎn)）。三向加速度傳感器的縱向、橫向和垂向分別對(duì)應(yīng)為車體的長(zhǎng)度、寬度和高度方向。

圖1 牽引變流器的幾何結(jié)構(gòu)及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置

電力機(jī)車掛接空車廂從新豐鎮(zhèn)出發(fā)，經(jīng)延安、榆林開(kāi)往榆林北（稱為空載工況），并在榆林北完成4 000 t貨物裝車，之后負(fù)重返程（稱為負(fù)載工況），對(duì)全程進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。

2 振動(dòng)時(shí)域分析

2.1 各測(cè)點(diǎn)有效值對(duì)比分析

圖2 所示為各測(cè)點(diǎn)在不同線路和測(cè)試工況下0～3 200 Hz 頻率范圍的振動(dòng)有效值對(duì)比?？梢钥闯觯海?）空載工況的兩段路程中，延安至榆林路段的振動(dòng)值明顯大于新豐鎮(zhèn)至延安路段，負(fù)載工況的兩段路程中，榆林至延安路段的振動(dòng)值略大于榆林北至榆林路段，可以發(fā)現(xiàn)榆林至延安路段路況最差，這是由于該路段坡度大、彎道半徑小等原因造成的；（2）從延安至榆林路段往返的振動(dòng)有效值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，空載時(shí)的振動(dòng)明顯大于負(fù)載工況；（3）與其他測(cè)點(diǎn)相比，風(fēng)機(jī)軸承端的振動(dòng)明顯，需要從頻域角度開(kāi)展深入分析。

圖2 各測(cè)點(diǎn)在不同線路和測(cè)試工況的振動(dòng)有效值對(duì)比

2.2 振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估

GB/T 21563-2018《軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》是在等同采用IEC 61373:1999 基礎(chǔ)上，增加了IEC 61373:2010 的加速比計(jì)算方法，是鐵路車輛設(shè)備振動(dòng)沖擊試驗(yàn)現(xiàn)行有效的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)設(shè)備在車上的安裝位置進(jìn)行試驗(yàn)等級(jí)的分類，包括1 類車體安裝、2 類轉(zhuǎn)向架安裝和3 類車軸安裝，其中1 類又分為A級(jí)（車體直接安裝的柜體、組件、設(shè)備和部件）和B 級(jí)（車體直接安裝的柜體內(nèi)部的組件、設(shè)備和部件）。1類A級(jí)和B 級(jí)功能性振動(dòng)試驗(yàn)的加速度譜密度（Acceleration Spectral Density，ASD）如圖3 所示，上下限頻率根據(jù)設(shè)備質(zhì)量M來(lái)確定，M≤500 kg 時(shí)，f1=5 Hz，f2=150 Hz；500 kg＜M≤1 250 kg時(shí)，f1=5 Hz，f2=150 Hz；M＞500 kg時(shí)，f1=2 Hz，f2=60 Hz。牽引變流器、風(fēng)機(jī)和傳動(dòng)控制箱的質(zhì)量分別為2 945 kg、17 kg 和20 kg。由此可確定，測(cè)點(diǎn)1#～7#為1 類B 級(jí)，頻率范圍為5～150 Hz；測(cè)點(diǎn)8#為1 類A級(jí)，頻率范圍為2～60 Hz。標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查確定1 類A級(jí)垂向、橫向和縱向的加速度有效值分別為0.75 m/s2、0.37 m/s2和0.50 m/s2，1 類B 級(jí)垂向、橫向和縱向的加速度有效值分別為1.01 m/s2、0.45 m/s2和0.70 m/s2。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加速度功率譜密度

為了評(píng)估該電力機(jī)車牽引變流器及內(nèi)部設(shè)備是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)相對(duì)惡劣的延安至榆林的空載工況數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的分析頻率范圍（5～150 Hz 和2～60 Hz）列出振動(dòng)有效值，如圖4 所示。由圖4 與圖2（b）對(duì)比可知：（1）在標(biāo)準(zhǔn)推薦的頻率范圍內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，說(shuō)明在這段路程中行車的振動(dòng)情況較好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；（2）各測(cè)點(diǎn)在0～3 200 Hz 頻率范圍內(nèi)多個(gè)方向的振動(dòng)有效值超出標(biāo)準(zhǔn)的限值，這說(shuō)明高頻成分的振動(dòng)分量明顯，對(duì)振動(dòng)有效值的貢獻(xiàn)較大；（3）除傳動(dòng)控制箱處的測(cè)點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)的橫向分量均超出標(biāo)準(zhǔn)限值，該現(xiàn)象值得關(guān)注。

圖4 各測(cè)點(diǎn)在不同頻率范圍的振動(dòng)有效值對(duì)比

GB/T 21563-2018 要求鐵路車輛設(shè)備能承受一定的脈沖激勵(lì)，規(guī)定1類A級(jí)和B級(jí)設(shè)備的垂向、橫向和縱向脈沖激勵(lì)加速度峰值分別為30 m/s2、30 m/s2和50 m/s2，持續(xù)時(shí)間均為30 ms。現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)牽引變流器柜體及內(nèi)部設(shè)備存在多次沖擊激勵(lì)，既有來(lái)自于車體的，也有來(lái)自于牽引變流器柜體內(nèi)部（主要是接觸器開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起）的激勵(lì)，且持續(xù)時(shí)間一般都大于30 ms，峰值大小不一。圖5 所示為提取的加速度沖擊峰值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比?？梢钥闯?#測(cè)點(diǎn)垂向及縱向、5#測(cè)點(diǎn)垂向和6#測(cè)點(diǎn)縱向的沖擊峰值超出標(biāo)準(zhǔn)值。通過(guò)查看沖擊現(xiàn)象的時(shí)域波形可知，這些超出標(biāo)準(zhǔn)值的沖擊峰值時(shí)刻與接觸器觸頭分開(kāi)與吸附狀態(tài)對(duì)應(yīng)，說(shuō)明由接觸器工作引起的沖擊對(duì)牽引變流器柜體內(nèi)部設(shè)備影響很大，因此，建議在規(guī)劃牽引變流器內(nèi)部設(shè)備布局時(shí)，應(yīng)將對(duì)沖擊振動(dòng)敏感的設(shè)備盡量遠(yuǎn)離接觸器。

圖5 各測(cè)點(diǎn)的沖擊峰值對(duì)比

3 振動(dòng)頻域分析

3.1 全頻段頻譜分析

重點(diǎn)針對(duì)振動(dòng)最大的榆林-延安路段數(shù)據(jù)進(jìn)行全頻段的頻譜分析，各測(cè)點(diǎn)在不同方向的振動(dòng)頻譜對(duì)比如圖6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：（1）整個(gè)頻譜圖可以分為3 個(gè)部分：成分復(fù)雜的低頻段振動(dòng)分量、1 320 Hz 附近的高頻振動(dòng)分量（斬波器風(fēng)機(jī)與換熱器風(fēng)機(jī)的軸端）以及散布在整個(gè)頻譜圖內(nèi)的電磁振動(dòng)分量（50 Hz 及其倍頻），其中，低頻振動(dòng)來(lái)自于車體，如車內(nèi)風(fēng)機(jī)、冷卻系統(tǒng)以及輪軌振動(dòng)等；1 320 Hz 附近的高頻振動(dòng)分量的產(chǎn)生原因需根據(jù)風(fēng)機(jī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和輸入的電流諧波進(jìn)行分析[14]；電磁振動(dòng)主要由牽引變流器內(nèi)部電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁力所引起；（2）垂向分量的振動(dòng)加速度量級(jí)居中，在0～0.4 m/s2范圍內(nèi)，1#、2#和5#測(cè)點(diǎn)在1 320 Hz附近的高頻振動(dòng)分量為頻譜的主頻，遠(yuǎn)大于低頻振動(dòng)分量；（3）橫向分量的振動(dòng)加速度量級(jí)最大，在0～0.6 m/s2范圍內(nèi)，低頻振動(dòng)是該頻譜的主要特征頻率，其中，2#測(cè)點(diǎn)的低頻振動(dòng)尤其明顯；（4）縱向分量的振動(dòng)加速度量級(jí)最小，在0～0.09 m/s2范圍內(nèi)，1#測(cè)點(diǎn)低頻振動(dòng)與1 320 Hz附近的高頻振動(dòng)分量幅值相當(dāng)，是振動(dòng)頻譜的主要特征頻率。

圖6 榆林-延安的負(fù)載工況振動(dòng)頻譜對(duì)比

3.2 中低頻段頻譜分析

根據(jù)振動(dòng)理論，振動(dòng)從車體傳入牽引變流器柜體的中低頻振動(dòng)不易衰減，且對(duì)設(shè)備破壞性更大，人體感知更明顯，因此，對(duì)振動(dòng)的中低頻段（0～500 Hz）頻譜進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖7 所示為兩個(gè)斬波器風(fēng)機(jī)軸承端測(cè)點(diǎn)的中低頻段頻譜?？梢钥闯鰞蓚€(gè)風(fēng)機(jī)都是橫向分量最大，其中，1#測(cè)點(diǎn)除了電磁力波激勵(lì)（100 Hz、150 Hz、200 Hz）外，其頻譜的主頻是141 Hz，經(jīng)后續(xù)風(fēng)機(jī)拆解后確認(rèn)該頻率對(duì)應(yīng)的是軸承外圈故障頻率，54.5 Hz 對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)頻。而2#測(cè)點(diǎn)的低頻振動(dòng)量級(jí)明顯更大，且除了電磁力波分量（100 Hz、150 Hz、200 Hz）與外圈故障分量（141 Hz）外，轉(zhuǎn)頻的倍頻分量（109 Hz、164 Hz、219 Hz、272.5 Hz等）也極為明顯，尤其是在轉(zhuǎn)頻的4 倍頻219 Hz 處，振動(dòng)加速度達(dá)到了0.63 m/s2。

圖7 兩個(gè)斬波風(fēng)機(jī)軸端的低頻振動(dòng)分析對(duì)比

圖8 所示為兩個(gè)斬波風(fēng)機(jī)安裝座測(cè)點(diǎn)的低頻段頻譜。可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)風(fēng)機(jī)在安裝座處均出現(xiàn)了外圈故障頻率（141 Hz）的分量，可以確定存在軸承外圈故障。此外，4#測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)安裝座處同樣出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)頻倍頻分量（109 Hz、164 Hz、219 Hz、272.5 Hz 等），可以確定4#測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)存在一定程度的機(jī)械不平衡。

圖8 兩個(gè)斬波風(fēng)機(jī)安裝座的低頻振動(dòng)分析對(duì)比

4 風(fēng)機(jī)故障原因分析

為了進(jìn)一步分析風(fēng)機(jī)故障產(chǎn)生原因，從風(fēng)機(jī)在牽引變流器柜體中的安裝結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析[15]。牽引變流器柜體主要由鈑金件制作成框架承載式結(jié)構(gòu)，對(duì)于框架和壁板可以抽取中面后劃分為以四邊形為主、極少數(shù)為三角形的殼單元，網(wǎng)格尺寸為5 mm，對(duì)于質(zhì)量較大的安裝設(shè)備可以劃分為以六面體為主、極少數(shù)為五面體的體單元，質(zhì)量較小的安裝設(shè)備簡(jiǎn)化為質(zhì)量單元，焊縫和螺栓采用剛性單元進(jìn)行模擬。對(duì)牽引變流器柜體底部的安裝孔設(shè)置約束，通過(guò)模態(tài)分析可以得到不同階次固有頻率的模態(tài)振型，如圖9所示。由于壁板的面積大、厚度小，剛度低，且牽引變流器柜體僅底部固定，模態(tài)頻率在低頻段非常密集，大部分階次的模態(tài)振型出現(xiàn)在壁板上。第33階（39.4 Hz）的模態(tài)振型體現(xiàn)在斬波風(fēng)機(jī)上，第38階（41.4 Hz）的模態(tài)振型體現(xiàn)在換熱器風(fēng)機(jī)、功率模塊和接觸器等部位，第42階（43.7 Hz）的模態(tài)振型體現(xiàn)在換熱器風(fēng)機(jī)上。由于斬波器風(fēng)機(jī)的安裝支架剛度偏低，導(dǎo)致斬波器風(fēng)機(jī)的固有頻率較結(jié)構(gòu)形式相同的換熱器風(fēng)機(jī)略低。

圖9 牽引變流器的模態(tài)分析

從前面的線路振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境遠(yuǎn)比振動(dòng)試驗(yàn)條件復(fù)雜惡劣，盡管在GB/T 21563-2018 規(guī)定頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)有效值低于標(biāo)準(zhǔn)值，由于圖3 所示的ASD 譜中，5～20 Hz頻率范圍為平直段，5 Hz 以下頻率范圍為上升段，20 Hz以上頻率范圍為下降段，標(biāo)準(zhǔn)并未考慮中高頻振動(dòng)的影響。而且接觸器開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，沖擊次數(shù)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的垂向、橫向和縱向正反方向各3 次。這可以解釋牽引變流器在批量應(yīng)用前通過(guò)了振動(dòng)沖擊試驗(yàn)的型式驗(yàn)證，但因安裝部件固有頻率特征和振動(dòng)環(huán)境的差異性，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用一段時(shí)間后，不同安裝部位的斬波器風(fēng)機(jī)和換熱器風(fēng)機(jī)出現(xiàn)不同程度的振動(dòng)失效問(wèn)題，后續(xù)可從風(fēng)機(jī)安裝的減隔振入手予以解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）牽引變流器振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜，振動(dòng)能量主要來(lái)自高頻的電磁振動(dòng)、輪軌傳入的低頻振動(dòng)、機(jī)械間內(nèi)風(fēng)機(jī)和水冷等設(shè)備振動(dòng)、牽引變流器內(nèi)部設(shè)備的振動(dòng)等。

（2）與GB/T 21563-2018 相比，標(biāo)準(zhǔn)推薦頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)測(cè)試有效值低于標(biāo)準(zhǔn)值，考慮中高頻振動(dòng)分量時(shí)，大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的橫向振動(dòng)測(cè)試有效值均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）接觸器觸頭分開(kāi)與吸附引起的沖擊對(duì)附近設(shè)備及車體振動(dòng)峰值影響很大，導(dǎo)致沖擊峰值高于標(biāo)準(zhǔn)值，在設(shè)計(jì)牽引變流器內(nèi)部設(shè)備布置時(shí)應(yīng)將對(duì)沖擊振動(dòng)敏感的設(shè)備盡量遠(yuǎn)離接觸器。

（4）風(fēng)機(jī)振動(dòng)的中低頻段存在大量復(fù)雜的頻率分量，其中141 Hz 作為頻譜的主頻，對(duì)應(yīng)軸承外圈故障頻率，明顯的轉(zhuǎn)頻倍頻分量與機(jī)械不平衡有關(guān)。后續(xù)可從風(fēng)機(jī)安裝的減隔振入手來(lái)解決風(fēng)機(jī)振動(dòng)失效問(wèn)題。